German Aroca - Chile_Bioetanol 1er Foro IberoAm Energia Quito Junio 2012 by redbecarios senescyt

1er FORO IBEROAMERICANO DE CIENCIA PARA LA ENERGIA 12-14 Junio 2012 Quito, Ecuador

Estado del Arte en el Desarrollo de Tecnologias para la Producción de Bioetanol de Segunda generación Prof. Germán Aroca A., Ph.D. Escuela de Ingeniería Bioquímica P. Universidad Católica de Valparaíso

Contenido •  Situación de la energía en Chile •  Consorcio Bioenercel S.A. •  Nivel de desarrollo de los procesos de producción de alcohol de segunda generación •  Desafíos de la Producción de bioetanol de 2da generación

Chile

p

Población n

p

Area n

p

n

4300 Km (17º29'57'S y los 56º32'S) Costa: 6,435 km

Actividad industrial activities n  n  n  n

p

755.838,7 km²

Longitud n

p

17.000.000.- (est.2010)

Mining (Cu) 40% Agriculture Forestry Fishery

Demand Energía n

270.000 T cal

Demanda de Energía en Chile

Oil and derivates; 45,2

•  Chile importa 72% Biomass; de su demanda de 15,6 energía Hidroelectric ity; 8,2 –  98% of Petroleo –  96% of Carbón Coke; 12 –  75% of Gas natural Natural Gas; 19

Proyección de la Demanda de Energia en Chile

Marcelo Tokman (2008). Política Energética: Nuevos Lineamientos. Comisión Nacional de Energía. Gobierno de Chile.

Chile: Demanda de Energía por Sector 2007

Marcelo Tokman (2008). Politica Energética: Nuevos Lineamientos. Comisión Nacional de Energía.Gobierno de Chile.

Lineamientos Estratégicos de la Política en Energía •  •  •  •

Asegurar el suministro de energía Disminuir la dependencia Diversificar las fuentes de energía Promover energías renovables –  Solar, eólica, geotérmica, bioenergía

•  Sustentabilidad –  Aumento en el uso del carbón debe ser compensado con energías renovables

Potencial para Biocombustibles de 1ª Generación en Chile

Superficie (miles de ha)

300

Superficie sembrada principales cultivos anuales en Chile 2006 Superficie total: 727.210 ha.

250 200 150 100 50 0 Trigo

Avena Cebada

Maíz

Arroz

Poroto

Papa

Raps RemolachaLupino

ODEPA - Boletín servicio de información de la agrícultura Chile 2007

Biocombustibles Chile Desierto Atacama Microalga (Mining Ind.) Jatropha Nopal ValleCentral (Agricultura) AraucanĂa (Forestal)

Patagonia (Acuicultura)

BIODIESEL

BIOGAS

Residuos Agric. Madera ResiduosLC

Macroalga

BIOETANOL

BIOGAS

Forest resources by Region Coquimbo 2%

2% 8%

Valparaiso 5% 19%

19%

O´´Higgins Maule Bío Bío La Araucania Los Ríos Los Lagos Aisen

39%

Total : 2.192.344,3 Ha Source: INFOR 2008

Potential Area for Forest Region

Cultivated Area (ha)

Area with aptitud Potencial for forest (ha) Area (ha)

Libertador B.O.

90.216

593.789

237.516

Maule

388.123

820.294

328.118

Bío Bío

791.831

605.253

425.257

Araucanía

389.946

711.965

284.786

Lagos

208.825

1.783.200

713.262

Total

1.868.941

4.514.501

1.988.939

Superficie estimada para la producción de 320.000.000.- L bioetanol (Demanda aprox. Gasolina E5 en Chile 2015)

Eficiencia De Conversión Anual (ha año-1) Total (ha)

Cultivo Rotación de 7 años

100 % (teórico)

90 %

60%

4.700

5.200

7.800

32.900

36.300

54.400

Bioenercel S.A. ¡  Celulosa Arauco y Constitución S.A. ¡  CMPC Celulosa S.A ¡  MASISA S.A. ¡  Universidad de Concepción ¡  P. Universidad Católica de Valparaíso ¡  Fundación Chile

B I O E N E R C E L

BIOENERCEL SA Technological Consortium Total Initial Investment: 7,4 MM â&#x201A;Ź

Private 41% Public 59%

B I O E N E R C E L

Objetivo ¡  Desarrollar/Adaptar tecnologías que permitan la B implementación de una industria de I biocombustibles a partir de material lignocelulósicoO en Chile E N E R C E L

Bioenercel Proy. Biomasa

Proyecto Bioproceso Métodos Analíticos

Plantaciones Forestales Pretratamiento Residuos Forestales

Fermentación

Laboratorio de Escalamiento

Síntesis de Proceso Bosque Nativo

Sacarificación Hidrolisis Enzimatica

Biomateriales Pirólisis

Evaluación Económica y

ACV

Producción de Bioetanol Remolacha Caña de azucar Azucares

Fermentación

Recuperación

Bioetanol

Maiz, Trigo Almidón

Hidrólisis

Fermentación

Recuperación

Bioetanol

Pretratamiento

Hidrólisis

Fermentación

Recuperación

Bioetanol LC

Madera Residuos LC LC

Alternativas del Proceso Bioetanol LC C LC

Pretratamiento Separación Sólido Liquido

H L

Hidrólisis Acida

Fermentación C6

Hidrólisis Enzimática Fermentación C5 Enzimas Recuperación Sacarificación y Fermentación Simultanea

Subproductos Energía

E100

Alternativas Proceso Bioetanol LC

S/M

Pre tratamiento

Subproductos Energía

Hidrólisis Acida

Detoxificación

Detoxificación / Sep sólido-líquido

Explosión con vapor Hidrólisis ácida AFEX Organosolv, … …

Microorganismo Levadura (rec) Bacteria (rec) Modalidad Lotes, Continua

Fermentación C6

Hidrólisis Enzimática Fermentación C5

Destilación + Malla molecular Pervaporación Extracción reactiva

Enzimas Selección Producción Subproductos Energía

Recuperación Sacarificación y Fermentación Simultanea T compromiso enz-m.o. Hidrólisis/fermentacion C5 yC6

Subproductos Energía

E100

Procesos Propuestos /en Desarrollo IOGEN Prod Enz T. reesei LC

Exp Vapor Ac. Diluido

H. Enzimatica Celulosa

Ferm C5 C6 Z. Mobilis rec

Cogeneraci贸n

Energ铆a

Destil.

EtOH

Procesos Propuestos /en Desarrollo LIGNOL Celulasas LC

Pulpaje Organosolv

C S/L

m.o.

SSF

HC Lignina Furfural

Destil.

EtOH

Procesos Propuestos /en Desarrollo ARKENOL

Molienda

H. ácida Concentrada 2 etapas continua

Ferm C5 C6 Z. Mobilis rec

L Cogeneración

Energía

Destil.

EtOH

Procesos Propuestos /en Desarrollo VERENIUM Enzimas (DIVERSA) E. coli rec LC

Hidrolisis Acida

SSF Destil. Ferm C5 (E. coli rec)

Cogeneraci贸n

Energ铆a

EtOH

Inbicon A/S - Dong Energy •  Materia prima: paja de cereales –  4 ton/h ó 30,000 Ton/ año

•  Enzimas: Novozyme y Danisco Genencor •  Producción –  5,4 millones de litros de etanol /año –  13,000 ton pellet lignina –  11,100 ton melazas de C5

•  Inversión capital : 54 mill Euros

Inbicon A/S - Dong Energy

Almacenamiento

Trituraci贸n

Pretratamiento

Destilaci贸n

Hidrolisis Fermentaci贸n enzim谩tica

ABENGOA Bioenergía Planta Babilafuente, España •  Materia prima: paja de cereales –  23,000 Ton/ año

•  Enzimas: DYADIC International Inc •  Producción –  5 millones de litros de etanol /año

•  Inversión capital : 40 mill Euros

ABENGOA Planta Babilafuente Salamanca, Espa単a

Desafíos Tecnológicos •  Costos de producción que permitan competir con el precio de los combustibles derivados del petróleo

Prof. Germán Aroca, Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Curva de Aprendizaje Programa PROALCOOL en Brasil

No es el paso del tiempo lo que disminuye los costos sino el cúmulo de experiencia

Prof. Germán Aroca, Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

J. Goldemberg et al. / Biomass and Bioenergy 26 (2004) 301 – 304

Desafíos Tecnológicos / Económicos •  Eficiente sistema de depolimerización de la celulosa y hemicelulosa a azúcares fermentables •  Fermentación eficiente de productos de hidrólisis; hexosas, pentosas, en presencia de compuestos inhibitorios •  Integración del proceso para minimizar demanda de energía •  Valorización de los residuos de lignina y otros •  Asegurar la sustentabilidad del proceso –  Balance energía –  Emisiones de gases de efecto invernadero (LCA) Prof. Germán Aroca, Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Etapas del proceso de obtención de etanol a partir de material lignocelulósico SSF o NSSF con Fermentación extractiva Fermentación extractiva SSF o NSSF

LC Pretratamiento

•  Explosión por vapor

•  Organosolv •  Hidrólisis ácida •  AFEX •  Ozonólosis

Hidrólisis

Fermentación

Recuperación

•  Hidrólisis química

•  Cultivo por lote

•  Destilación

•  Hidrólisis enzimática

•  Lote alimentado

•  + Pervaporación

•  Cultivo continuo

•  + Malla molecular

EtOH

•  + Extracción reactiva

•  Oxidación Húmeda •  Biológico •  …

Aspectos críticos en el Proceso •  Pretratamiento –  Rendimiento de glucanos y azúcares fermentables –  Generación de inhibidores

•  Hidrólisis enzimática –  Cinética –  Costo catalizador

•  Fermentación –  Rendimiento –  C5 + C6 –  Hidrólisis y fermentación simultanea (Temperatura)

•  Recuperación –  Energía Prof. Germán Aroca, Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Algunas Consideraciones para la Síntesis y Selección de un Proceso •  La biomasa define el pretratamiento •  El pretratamiento define el bioproceso –  –  –  –

Acido: Hidrólisis de hemicelulosa Alcalino: Hemicelulosa y celulosa intacta Extracción por Solvente: separa los componentes Exp con vapor : reduce cristalinidad y favorece accesibilidad

•  La sacarificación debe generar altas concentración de azúcares (> 120 gr/L)

Prof. Germán Aroca, Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

HIDRÓLISIS Dos etapas: •  Licuefacción (0 -‐10 horas) – variación volumen •  Sacariﬁcación (10 – 72 horas)

1 hora Explosión por vapor 15% sólidos, 10 FPU/g glucanos

3-‐4 horas

5-‐6 horas

Algunas Consideraciones para la Síntesis y Selección de un Proceso •  La fermentación de pentosas es clave en el rendimiento a etanol. •  Las pentosas son materia prima de subproductos valiosos •  La recuperación de etanol in situ aumenta significativamente la productividad de etanol •  Valorización de lignina y fracción de pentosas •  Uso de vinazas (energia)

Prof. Germán Aroca, Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Madera Hemicelulos a, 20 Celulosa, 42 Lignina, 21 Extraibles, 17

Inhibidores de la fermentación Prof. Germán Aroca, Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Rendimiento Teórico de Etanol •  2 moles de etanol por mol de glucosa –  0, 51 g Etanol / g Glucosa

•  5 moles de etanol por 3 moles de Xilosa –  0,46 g Etanol / g Xilosa

•  1 ton materia prima (madera) –  400 kg celulosa –  200 kg hemicelulosa –  300 kg lignina

→ 200 kg etanol → 100 kg etanol

Fermentaci贸n de Hidrolizados de Material Lignocelul贸sico

Manosa Galactosa Glucosa Xilosa Arabinosa

Saccharomyces cerevisiae

Etanol

Microorganismos Genes metabolismo de la xilosa desde E. coli

Pentosas

Genes xilosa isomerasa desde P. stipitis

E. Coli K. oxytoca

Genes etanolgĂŠnicos desde Z mobilis

Z. mobilis

Etanol

S. cervisiae Adaptado de B. Hahn-HĂ¤gerdal, 2006

Objetivo de la Fermentación •  Alcanzar un alto rendimiento de etanol desde C6 y C5 –  Disminución de pérdida de materia prima

•  Alta productividad volumétrica –  Disminución de costos de inversión

•  Alta concentración de etanol –  Disminución de costos de producción (ahorro energía)

•  Recuperación y reutilización de la levadura –  Disminución de costo de producción (ahorro materia prima) 15 junio 2012

G Aroca EIB/PUCV

Aspectos a considerar en la Fermentación •  Presencia de compuestos inhibitorios provenientes del pretratamiento y/o hidrólisis –  Eliminación anteriorà aumento de costos

•  Inhibición por etanol à recuperación continua de etanol –  Adaptación de microorganismos

•  Capacidad de Fermentación de hexosas (C6) y pentosas (C5) –  Disponibilidad de microorganismos

•  Tipo de Bioreactor 15 junio 2012

G Aroca EIB/PUCV

Modalidad de la Operación de Fermentación •  Operación por Lotes •  Operación continua •  Operación con alta densidad de células (lotes, continuo) •  SHF : Separarted Hydrolysis and Fermentation •  SSF: Simulatneous Sacharification and Fermentation •  Compromiso de T° entre óptimo de fermentación y T° de hidrólisis enzimática à microorganismos termotolerantes •  Diseño de fermentadorà transfernecia de gases ( CO2)

•  NSSF: Non.Isothermal Sacharification and Fermentation 15 junio 2012

G Aroca EIB/PUCV

Modalidad de Cultivo Operación

Productividad Kg.m-3.h-1

Cultivo por lotes

1,8 – 2,5

Cultivo Continuo

Cultivo Continuo en serie de bioreactores

Remoción continua de etanol por vacío

Remoción continua de etanol con membranas

100

Fuente: Coombs (1996) 15 junio 2012

G Aroca EIB/PUCV

Relation between costs and global yield Rendimiento [kg etanol/kg madera]

Solvente orgánico (Organosolv)

Hidrólisis ácido diluido (avanzada)

Explosión con vapor

10 Fermentación pentosas (disminución disponibilidad) 5

0 0

4 6 Índice de costo

Conclusiones •  La producción de bioetanol de 2G es una realidad, inicio de curva de aprendizaje. •  Se requieren mejores preparados enzimáticos celulolíticos (disminuir costos asociados) •  Se requiere eficiente fermentación de pentosas (selección, modificación de microorganismos) •  Análisis integrado de procesos (balance energía, valorización de residuos, ACV)

1er FORO IBEROAMERICANO DE CIENCIA PARA LA ENERGIA 12-14 Junio 2012 Quito, Ecuador

Gracias !! Prof. Germán Aroca A., Ph.D. Escuela de Ingeniería Bioquímica P. Universidad Católica de Valparaíso

1er FORO IBEROAMERICANO DE CIENCIA PARA LA ENERGIA 12-14 Junio 2012 Quito, Ecuador